高原凍土地區(qū)AC-13C瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

王偉，劉家奇，張景祿，梁斌*

(1.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471013；2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院；3.中交第二公路工程局有限公司)

1 前言

近年來，中國(guó)加強(qiáng)基礎(chǔ)交通建設(shè)，其中針對(duì)西藏高海拔、高寒地區(qū)老舊公路新建和改建工程不斷推進(jìn)。西藏地區(qū)在公路建設(shè)中常遇到路基凍融導(dǎo)致路基開裂，瀝青路面老化等問題。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于多年凍土區(qū)公路工程研究受緯度控制，主要集中在歐亞大陸、北美大陸，所涉及凍土均為低溫凍土，凍土環(huán)境穩(wěn)定。中國(guó)為實(shí)現(xiàn)在青藏高原多年凍土區(qū)鋪筑瀝青路面，進(jìn)行了近30年的不斷研究最終取得成功。為使瀝青混合料擁有較好的路用性能、更長(zhǎng)的使用壽命并且更加環(huán)保，科研人員研究出多種適用于不同環(huán)境和條件的外加劑。裴磊等依據(jù)瀝青混合料對(duì)空隙率的要求，設(shè)計(jì)出以填充粒徑為上一級(jí)粒徑0.22倍的填充方案并得出更加合理的室內(nèi)試驗(yàn)壓實(shí)方案；趙永利等通過改進(jìn)瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)的浸水條件，采用沸煮劈裂試驗(yàn)測(cè)定殘留穩(wěn)定度評(píng)估混合料水穩(wěn)定性。由于凍融問題對(duì)熱拌瀝青混合料影響較大，故需進(jìn)行試驗(yàn)研究其水穩(wěn)定性和耐久性，研究過程中發(fā)現(xiàn)以往試驗(yàn)方法存在不足，因此對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用優(yōu)化后的試驗(yàn)方法檢測(cè)混合料耐久性能。羅蓉等通過分析凍融循環(huán)水損害過程后瀝青混合料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)改變，提出提高瀝青與集料的黏附性能，可降低凍融循環(huán)對(duì)瀝青路面的影響；馬宏巖等通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)證明，得到瀝青路面開裂程度與凍融前后級(jí)配偏差的絕對(duì)值成正比；歐陽(yáng)心和等根據(jù)各檔粒徑集料質(zhì)量比不變，且含不同粒徑集料總表面積與瀝青用量之比不變的原則，設(shè)計(jì)并測(cè)定含有不同粒徑集料瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度，得到含不同粒徑集料瀝青混合料劈裂強(qiáng)度與集料粒徑的相關(guān)性，其中4.75～9.5 mm集料對(duì)瀝青混合料劈裂強(qiáng)度有較為明顯的提升。

該文依托國(guó)道109線那曲至羊八井段公路改建工程項(xiàng)目，公路路面上面層采用AC-13C型改性瀝青混合料，通過馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)改性瀝青混合料最佳配合比，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)等研究改性瀝青混合料路用性能，分析AC-13C改性瀝青混合料各項(xiàng)性能指標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)在高原凍土環(huán)境下進(jìn)行實(shí)際路用性能檢測(cè)。

2 工程概況

國(guó)道109線那曲至拉薩公路(那曲至羊八井段)改建工程起于古露鎮(zhèn)，路線向南沿G109和青藏鐵路布設(shè)，經(jīng)馬鄉(xiāng)、當(dāng)雄縣南、羊八井鎮(zhèn)等地，后經(jīng)珠峰隧道、拉薩河特大橋設(shè)拉薩樞紐互通與拉貢高速公路相接。全長(zhǎng)85.109 km，改性細(xì)粒式瀝青混合料AC-13C使用量為37.3萬(wàn)m2。該項(xiàng)目是中國(guó)首條高寒高海拔地區(qū)修建的公路，海拔均為4 200 m以上，氣候條件惡劣，紫外線強(qiáng)。

項(xiàng)目地處阿熱濕地南緣，受地形條件與既有交通工程如青藏鐵路、G109等影響，路線需穿越阿熱濕地，濕地中一般地表植被較發(fā)育，表層分布腐殖土，厚度為0.5～4.3 m，承載力低，路基易產(chǎn)生不均勻沉降。由于土體呈飽和狀態(tài)，冬季凍脹嚴(yán)重，春季消融易形成翻漿現(xiàn)象，對(duì)公路耐久性產(chǎn)生較大影響。因此公路路面抗?jié)B水、防凍脹工程措施尤為重要。

3 原料

3.1 瀝青

試驗(yàn)所用瀝青為110-A級(jí)瀝青，依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)方法，對(duì)110-A級(jí)瀝青進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)改性為SBS改性瀝青I-B類，其技術(shù)指標(biāo)滿足要求。

3.2 集料

試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)所用礦料為不同粒徑的碎石、機(jī)制砂和礦粉，其中碎石及機(jī)制砂分別為10～15、5～10 mm碎石、3～5、0～3 mm機(jī)制砂。按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)過程中礦料的基本性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，集料指標(biāo)測(cè)定值見表2、3。

表2 粗骨料指標(biāo)測(cè)定值

表3 細(xì)骨料指標(biāo)測(cè)定值

混合料中粗、細(xì)骨料和礦粉對(duì)于提高瀝青混合料強(qiáng)度有較大的影響。由表2可以看出：5～10 mm與10～15 mm粗骨料壓碎值為15.2%，均小于28%；各粒徑粗骨料針片狀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于15%；表觀相對(duì)密度均大于2.50 g/cm3。

4 配合比設(shè)計(jì)

4.1 最佳油石比確定

試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用5種油石比制備瀝青混合料試塊并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，確定最佳油石比。每組制備4個(gè)馬歇爾試件，試驗(yàn)測(cè)得不同油石比的標(biāo)準(zhǔn)試塊各項(xiàng)指標(biāo)，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合最大密度、穩(wěn)定度、目標(biāo)空隙率、瀝青飽和度得出AC-13C最佳油石比為5.0%，瀝青用量為4.76%，抗剝落劑為瀝青用量的3‰。

4.2 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

不同粒徑礦料配合比直接影響混合料空隙率大小，瀝青混合料中的空隙是在大粒徑粗集料之間形成的，需要小粒徑細(xì)集料和礦粉填充空隙。

根據(jù)礦料水洗篩分結(jié)果得到礦料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線如圖1所示。根據(jù)逐級(jí)填充理論確定礦料級(jí)配的大致比例，并通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算進(jìn)行生產(chǎn)礦料級(jí)配優(yōu)化。最終確定礦料級(jí)配為：(10～15 mm)∶(5～10 mm)∶(3～5 mm)∶(0～3 mm)∶礦粉=34.0∶21.0∶11.0∶30.0∶4.0。

圖1 礦料級(jí)配

5 配合比驗(yàn)證

5.1 水穩(wěn)定性驗(yàn)證

按照設(shè)計(jì)配合比拌和AC-13C改性瀝青混合料制作直徑為101.6 mm、高為63.5 mm標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試塊，且每組試件不少于4個(gè)，通過浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)配合比下生產(chǎn)的瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

5.1.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

引起瀝青路面水損害主要有兩方面原因：① 瀝青在水侵蝕作用下瀝青膜老化剝落，瀝青混合料黏結(jié)力喪失引起的混合料水損害；② 空隙水膨脹是引起瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞的原因之一。

試驗(yàn)將試件和馬歇爾試驗(yàn)儀的上下壓頭置于60 ℃的恒溫水槽中保溫，試件在恒溫水槽中保溫時(shí)間為48 h，水槽底部與試件間隔需大于5 cm，其余步驟與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)相同。

式(1)為試件浸水殘留穩(wěn)定度計(jì)算公式：

(1)

式中:MS0為試件浸水殘留穩(wěn)定度(%)；MS1為試件浸水48 h后的穩(wěn)定度(kN)；MS為試件的穩(wěn)定度(kN)。

5.1.2 凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中凍融劈裂試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，凍融過程結(jié)束后，將試件放入恒溫水箱中保溫，溫度為(25+0.5)℃，保溫過程中試件保持不少于10 mm的間距；保溫2 h后將試件取出并按照試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過凍融劈裂試驗(yàn)后試件的凍融劈裂強(qiáng)度比為90.1%，大于規(guī)范技術(shù)要求的75%。試驗(yàn)結(jié)果表明：在高原凍土地區(qū)特殊的氣候條件下，油石比為5.0%的AC-13C改性瀝青混合料抗劈裂性能良好且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 高溫性能檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證瀝青混合料高溫抗車轍性能，在規(guī)定溫度與荷載條件下，進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)。通過試驗(yàn)測(cè)定試驗(yàn)輪在試件上往返碾壓造成的車轍變形速率，用動(dòng)穩(wěn)定度表示。

按選定配合比及5.0%油石比并按照試驗(yàn)規(guī)程制作300 mm×300 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，因工程處于高原凍土地區(qū)全年平均最低氣溫為-22 ℃，平均最高氣溫為16 ℃，選取試驗(yàn)溫度為45 ℃，輪壓為0.7 MPa。試件成型后，連同改性瀝青混合料試模一起在常溫條件下放置48 h，使試塊中的改性瀝青充分固化后，將試塊連同試模一起置于已達(dá)到試驗(yàn)溫度(45±1)℃的恒溫室中，保溫不少于5 h且不大于12 h。在試件的邊緣處粘貼一個(gè)溫度計(jì)，用以控制試件在試驗(yàn)過程中的溫度穩(wěn)定在(45±0.5)℃。將試件連同試模放入自動(dòng)車轍試驗(yàn)儀的試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)輪在試件中央行走，方向須與行車方向一致，試驗(yàn)輪在試件上往返行走1 h，試驗(yàn)過程中使用記錄儀自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度的車轍變形量取值時(shí)間分別為45 min和60 min，3組試驗(yàn)中第1次記錄車轍變形量平均值為2.34 mm，第2次記錄平均值為2.49 mm。計(jì)算試件動(dòng)穩(wěn)定度：

首先，進(jìn)一步加強(qiáng)官方獸醫(yī)管理，全面提升動(dòng)物檢疫隊(duì)伍的整體素質(zhì)能力，確保官方獸醫(yī)熟練掌握有關(guān)檢疫規(guī)程規(guī)范的內(nèi)容、認(rèn)真履行檢疫職責(zé)、規(guī)范出具檢疫證明；其次，采取多種形式、多種方法，廣泛宣傳動(dòng)物防疫法律法規(guī)，進(jìn)一步提升社會(huì)關(guān)注度、公信度和支持力；再次，加強(qiáng)對(duì)行政管理相對(duì)人的監(jiān)管，全面提升動(dòng)物及動(dòng)物產(chǎn)品檢疫率。建立養(yǎng)殖場(chǎng)、販運(yùn)戶、屠工、屠商等與動(dòng)物及動(dòng)物產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有關(guān)的單位人員檔案，定期組織學(xué)習(xí)培訓(xùn)，確定官方獸醫(yī)實(shí)施全程監(jiān)管，隨時(shí)掌握動(dòng)物產(chǎn)品來源、數(shù)量、去向和檢疫情況，確保檢疫率達(dá)到100%；最后，動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督部門要加大工作紀(jì)律整頓和違法行為打擊力度，全力推動(dòng)動(dòng)物檢疫工作有序開展。

(2)

式中：C1為試驗(yàn)機(jī)類型系數(shù)；C2為試件系數(shù)，試驗(yàn)室制備寬300 mm的試件為1.0；N為試驗(yàn)輪往返碾壓速度，通常為42次/min。

計(jì)算得AC-13C改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度為4 112.5次/mm，滿足規(guī)范小于3 000次/mm的要求。

5.3 低溫性能檢驗(yàn)

瀝青混合料彎曲性能、破壞時(shí)最大彎拉應(yīng)變通過瀝青混合料彎曲試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，低溫時(shí)混合料低溫抗裂性能代表其破壞時(shí)最大彎拉應(yīng)變。當(dāng)混合料能承受較大彎拉應(yīng)力時(shí)，在低溫環(huán)境中路面抵抗開裂能力越強(qiáng)，抗收縮應(yīng)力越大。按照瀝青混合料彎曲試驗(yàn)規(guī)程，將試件加工成棱柱體小梁，其尺寸為250 mm×30 mm×35 mm(±2 mm)，跨徑為200 mm。使用全自動(dòng)壓力試驗(yàn)儀，以50 mm/min速率加載。將恒溫箱中達(dá)到(-10±0.5)℃的試件，按照試驗(yàn)要求安放在試驗(yàn)儀上，試件成型時(shí)方向即為試件安放在試驗(yàn)儀上的方向，將電阻應(yīng)變片粘貼在合適的位置并調(diào)試動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，啟動(dòng)壓力儀在中點(diǎn)加載荷載，同時(shí)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，根據(jù)式(3)、(4)計(jì)算出試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度RB、破壞時(shí)的梁底最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖。結(jié)果見表6。

(3)

(4)

由表6可知，該配合比下AC-13C改性瀝青混合料平均抗彎拉強(qiáng)度為3.7 MPa，破壞時(shí)的平均彎拉應(yīng)變?yōu)?.81×10-3，高原凍土低溫環(huán)境下，有較好的低溫抗彎性能，能夠有效抵抗凍脹、路面低溫開裂。

表6 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

5.4 耐久性能檢驗(yàn)

高原凍土地區(qū)存在大量瀝青路面凍融病害問題，凍融循環(huán)導(dǎo)致瀝青混合料破壞的原因是當(dāng)水分進(jìn)入瀝青路面內(nèi)部空隙后，在低溫條件下結(jié)冰凍脹導(dǎo)致粗集料之間空隙增大，混合料內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)微損傷，降低了集料間黏結(jié)力。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，內(nèi)部微損傷逐漸積累導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生微小裂痕，瀝青混合料劈裂強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小。

該工程所在地高寒缺氧，氣候干燥，全年最低氣溫為-22 ℃，最高氣溫為16 ℃，年相對(duì)濕度為48%～51%。根據(jù)已有試驗(yàn)方案并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，制定凍融循環(huán)試驗(yàn)方案為：在97～98 kPa的真空浸水條件下存放30 min后把試件放置于環(huán)境氣壓下浸水30 min，將試件放入存有約10 mL水的袋子中，將其放入溫度為-18 ℃冷凍箱中保持16 h，在45 ℃恒溫水槽中水浴融化撤去塑料袋，保持恒溫25 ℃持續(xù)24 h，以此作為一個(gè)凍融循環(huán)。

為更好控制AC-13C改性瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能，該試驗(yàn)凍融循環(huán)次數(shù)為5次，為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性每組試驗(yàn)準(zhǔn)備4個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

由表7可得：凍融后空隙率增大，瀝青混合料經(jīng)第1次凍融后強(qiáng)度有較大下降，瀝青混合料經(jīng)2～3次循環(huán)空隙率明顯上升，至第4～5次循環(huán)空隙率、劈裂強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。經(jīng)過反復(fù)凍融后該混合料空隙率穩(wěn)定，保證了混合料強(qiáng)度及抗?jié)B能力，有利于抵抗結(jié)冰凍脹對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)耐久性的影響，其中在瀝青混合料中添加抗剝落劑有助于提升其抗?jié)B透能力，并且控制空隙率增長(zhǎng)。

5.5 滲水性能檢驗(yàn)

瀝青混合料滲水是瀝青路面水損害的早期表現(xiàn)，水損害是造成路面質(zhì)量下降以及使用壽命減少的重要原因之一?；旌狭蟽?nèi)部滲水能力與連通空隙率密切相關(guān)，側(cè)面印證瀝青混合料水穩(wěn)定性。對(duì)瀝青混合料進(jìn)行滲水試驗(yàn)得到滲水系數(shù)用于評(píng)價(jià)混合料滲水性能，滲水系數(shù)與混合料受水侵蝕程度成正相關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 滲水試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：試驗(yàn)得瀝青混合料的滲水系數(shù)為75 mL/min，滲水系數(shù)過大極易引起瀝青路面的水損壞。該工程為高原凍土地區(qū)公路項(xiàng)目路面受凍脹病害影響較大，控制路面滲水量尤為重要，該混合料的滲水系數(shù)小于120 mL/min滿足規(guī)范要求。

6 工程應(yīng)用

6.1 路面壓實(shí)度檢測(cè)

國(guó)道109那曲至羊八井段第二標(biāo)段采用集料配比為(10～15 mm粗骨料)∶(5～10 mm粗骨料)∶(3～5 mm粗骨料)∶(0～3 mm細(xì)骨料)∶礦粉=34∶21∶11∶30∶4，空隙率為4.6%的熱拌AC-13C改性瀝青混合料，鋪筑200 m試驗(yàn)路段，對(duì)面層施工壓實(shí)度進(jìn)行觀察與檢測(cè)。

為檢測(cè)AC-13C改性瀝青混合料在實(shí)際工程中的鋪筑效果，在該路段隨機(jī)選取檢測(cè)點(diǎn)對(duì)瀝青面層采用鉆芯法檢測(cè)壓實(shí)度。測(cè)定鉆芯試件的密實(shí)度，測(cè)得路面理論密度壓實(shí)度最小值為98.2%，平均壓實(shí)度為98.82%，均大于規(guī)范要求的97%。試驗(yàn)結(jié)果完全滿足規(guī)范要求。

6.2 彎沉檢測(cè)

在試驗(yàn)路段進(jìn)行彎沉檢測(cè)，利用彎沉值表征路面材料剛度和抗拉強(qiáng)度，路面抵抗垂直荷載作用下產(chǎn)生變形的能力。路面彎沉試驗(yàn)采用貝克曼梁法，該公路設(shè)計(jì)彎沉值為18.5(0.01 mm)，經(jīng)檢測(cè)66個(gè)測(cè)點(diǎn)平均值為6.4(0.01 mm)，彎沉結(jié)果符合JTG E80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》及設(shè)計(jì)要求。

6.3 其他檢測(cè)

路面設(shè)計(jì)厚度值為40 mm，施工中允許偏差≤4 mm；路面摩擦系數(shù)檢測(cè)過程中路面溫度T為10 ℃，修正值ΔF為-3，修正后最低抗滑值為75 BPN。經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)路用性指標(biāo)均符合JTG E80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》及設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)結(jié)果見表9。

表9 公路工程質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

7 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究AC-13C改性瀝青混合料在高原凍土地區(qū)氣候條件下的路用性能，得到以下結(jié)論：

(1)高原凍土地區(qū)在瀝青混合料中添加抗剝落劑，用量為瀝青的3‰，可以有效降低空隙率增長(zhǎng)，降低融水滲透率，緩解瀝青路面老化問題，增加瀝青路面穩(wěn)定性。

(2)油石比為5.0%的AC-13C改性瀝青混合料試件經(jīng)過耐久性試驗(yàn)后瀝青混合料在第1、2次凍融循環(huán)后空隙率明顯上升，劈裂抗拉強(qiáng)度明顯下降，之后趨勢(shì)均明顯減緩并穩(wěn)定。結(jié)合高原寒冷地區(qū)凍融循環(huán)頻繁的特征，良好的抗凍融性能可有效提升瀝青路面耐久性。

(3)AC-13C改性瀝青混合料在高原凍土地區(qū)缺氧低氣壓的環(huán)境下路面高溫抗車轍性能、滲水、壓實(shí)度、厚度、平整度、彎沉值等方面表現(xiàn)良好。

(4)試驗(yàn)所選5.0%油石比的AC-13C瀝青混合料有良好的低溫抗彎性與耐久性，適于在常年平均氣溫低于5 ℃的高原凍土地區(qū)瀝青路面上面層使用。